理 学 療 法 学 第19巻 第4 号 421
〜
426頁 〔1992年 ）侵
幸
告
健常 人大
腿
四
頭
筋
の
パワ
ー
ス
ペク
ト
ル
解析
＊神
戸 晃
男
1）山
田
俊 昭
1）山 崎 安 朗
2）東 田 紀 彦
2）ブ リ
リア ン トン ・ ム ナ デ ィ 2）山
口昌 夫
3）松 浦 康 孝
4） 要旨健康成人
11
名に対し て，
大 腿四頭 筋の トル ク値と表 面 筋 電 図の中 間 周 波 数 lMedian PowerFre−
quency （以
『
ドMdPF と略 す ）の関 係 を検 討 した。
エ リエー
ル・
ダイナ ミッ クス社 製 Ariel機に よ り，
膝 関節 60 度屈曲位での大腿四頭 筋の最 大 随 意 収縮：Maximal Voluntary Contraction （以
1・
．
MVC と 略す ）時の筋 トル ク値 を求め，
そ のときの MdPF を測定 し た。
さらに MVC の筋 トル ク値の 50％ で収 縮 させ た とき，
25％ で収 縮 させ た と きのMdPF
を求めて比 較 検 討し た。 また周 波 数 帯 域を 10．
−200
Hz のバ ン ドパ スフ ィ ル ター
を か け た後，
それ を 10．
．
．
45Hz，
46−
80 Hz，
81−
200 Hz の 3っ に区 分し，
各 範 囲の MdPF の特 徴 も検 討し た。 その結 果，
筋 トル ク値が高 くな るにつ れMdPF は高くな る傾 向を示 し た。
各 トル ク値のMdPF
の間に統計 的有意 差を認め たの は100
％MVC
と25
％MVC
のMdPF
間のみ であり，
その他の トル ク値のMdPF
間には有意差は な かっ た。 以 トか ら，
表 面 筋電図のパ ワー
ス ベ ク トル解折で，
筋の活 動様 式を推定す るこ と がで き る と考え ら れ る。 キー
ワー
ド：表 面筋 電 匱L
パ ワー
ス ペ ク ト ル解 折，
等 尺 性 収 縮1 ．
は じ め に 理学療法の分野で運 動 機 能の正 常・
異 常 性 を 知る た め の 動作分析は重要な評価で あ り，
表面筋 電図 （以 ド表面EMG
と略す） は動 作 中の筋力 をEMG 積 分 値 を求めて 推 定し，
その大き さ や筋の活動様式の分析には欠かせ な い検査手段の一
っ で ある。
従来，EMG
を用いての動 作 分 析において，
EMG
積xPower
Spectral Aロalysis o 〔the Surface EMG of Quad
−
riceps Muscle in NormaE Adults
P 金 沢
ttt
科 大 学 病 院リハ ビリ テ
ー
ショ ン部Akio Kobe
，
RPT，
Toshiaki Yamada l Department ofRehabilitation
，
Kanazawa Medical University Hosp正しa1 2）金 沢 医科 大 学 整 形 外 科
Yasuaki Yamazaki
，
MD，
Norihiko Toda，
MD，
MunardiBriliantono
、
MD ：Department of Orthopedic Sugery，
Kとlnazawa Medical University
3）
リハ ビリテ
ー
ショ ン加 賀 八 幡 温 泉 痾 院Masao YAMAGUCHI
，
MD ：Rehabilitation Kaga−
Yawata
．
Onsen Hospital4）
社会 保 険 滋 賀病 院1」
ハ
ビ リテー
ショ ン部Yasutaka MATSUURA
，
RPT ：Department of Rehabil−
iしation
，
Hoalthy lnsurancc Shiga Hospita 工〔受
f
・
，1
．
日 1990年10月 14 匚」／受f里目 1991年11月 IO Lヨ） 分値や振 幅等の量的解析が行わ れ ていた が， 近年， 表血 EMG の ソ フ トの開発に よ りEMG 周 波 数等の 質 的 解 析 が行わ れ る よ うになり，
より客観 的な筋 活 勤 様 式の解 明 が さ れっ っ あ る。 我々 は，
こ こ数 年 間，
表 面EMG を用い て理 学 療 法の 臨 床 効 果 判 筮 等のH
的で EMG 周 波 数 解 析 を 行っ て き たDB）。 しか し，
EMG 周 波 数を解 析する場 合，
そ の基 礎 と な る筋 力と周 波 数の関 係は諸 家に よりそ の見解が一
・
致 して いると は苫い が たい。 我々 は，
歩 行をEMG
周 波 数から検 討 し，
臨床 応 用 す るた め，
今 回，
健 康 成 人の ド肢 筋で ある大 腿四 頭筋を被 検 筋とし，
その解 析の基 礎デー
タであ る筋ト ル ク値の変 化とEMG 周 波 数の関 係 を検 討したの で報告する。H ．
対 象と方 法 文像 は健康 成人 11名で．
う ち男 性 5名，
女 性6名で あ り，
そ の年齢は20
か ら30
歳で，
tt
均 年 齢は22．
6
歳 であっ た。 日本電 気三栄製EMG
テ レメー
タ514
を用い，
大 腿 四422
理学療法学 第19
巻第4
号 頭 筋 筋 腹に貼 付 した表 面 電 極か らのEMG
の ア ナロ グ信 号を同 時サ ン プ リン グ機能を有する A／D コ ンバー
タを 介 して，
直 接，
日木 電 気 社 製パー
ソ ナル コ ン ピュー
タPC− 9801
VX に取 り込んだ。
皮膚イ ンピー
ダン ス は3
キロ オー
ム以 下と な るよ う前 処 置し た。 サ ンプ リング・
タ イム は 2msec と し，
その信号を キッセ イコ ム テ ッ ク 社製BIMUTAS 解 析プロ グラム Ver．
2に てパ ワー
スペ ク トル解 析 を行っ た。
パ ワー
スペ ク トルの解 析に はハ ニ ング窓関数を選 択し た。
被 検 筋は右 側の大 腿四頭 筋の うち，
内側広筋，
大 腿 直 筋，
外 側 広 筋 （以 ド，
そ れ ぞ れVM．
RF．
VL
と略 す） の3
筋と し た。 エ リエー
ル・
ダイ ナ ミッ クス社製 Ariel 機，
アー
ム。
レ ッ グ タ イ プに より膝 関 節 屈 曲60
度で等尺性収縮によ るMVC
時の筋 トル ク値 を 求め，
その と き3
回 分のMdPF
を解 析 した。
次に被 検者に対し，
その 50％，
25％ の トル ク値 を 発 揮 する よ う指示し， そのEMG
を そ れ ぞ れ 5 秒間 記 録し た。
各 筋 トル ク値でおのおの 5同 計測 し，
その うち，
50％，
25％MVc トル ク値に最も近 似 した3
回分を解 析に用い た。
解析時間は筋収 縮 開 始 後1
秒か ら4
秒まで の 3秒 間とした。 解析の 周波数帯域を10
か ら200Hz
と し，
さ らに それ を永出 らに従い 10−
40Hz
（低 周 波 帯 域 ），46− 80
Hz （中周 波 波帯域），
81−
200Hz （高 周 波 帯 域 ） の3
っ の帯域に区分し た。 す な わ ち，
永田 らに よれば判別分 析の結 果か ら緊張 系は ヒ記 の低 周 波 帯 域，
相 動 系は上 記の中周波， 高周 波 帯 域に依 存 すると述べ て い るω。
解 析にっ い ては各 周波数 帯 域のMdPF
を求め，
100％MVC，50
％MVC ，25
％MVC
時 の 3群 間の結 果を比較検 討し た。 ま た筋力に相 関の ある 表面EMG
の面 積 積 分 値の比 較 も行っ た。 皿．
結 果 1．
10− 200
Hz
の周 波 数 帯 域に お け る各筋のMdPF
は筋トル クが大 きい ほ ど各 筋とも高 値を示し，
VM，
VL で 100％MVC
時 の MdPF が 25％MVC
時の MdPF よ り有意に高かっ た （図 1，
2）。
2．
10−
45Hz の低 周 波 帯 域の各 筋ト ル クを 発 揮し た と きの MdPF の比 較で は筋 トルクが大きい ほど各筋と も全体の平均値は 1−
2Hz 大き く なっ た が，
RF
に のみ 100％ MVC 時の MdPF が 25％MVC 時の MdPF よ り 有意に高かっ た （図3）。3 ．
46．80Hz
の 中 周 波 帯 域で は，
VM の み100
％ MVC 時o⊃MdPF
が25
％MVC
時の MdPF よ り有 意に 高 く，
他に は有 意 差は な かっ た （図4）。
4．
81．
−
200Hz の 高 周波帯 域で は各 筋 とも50％ MVC お け るMdPF が IOO％MVC
や 25％ MVC 時の MdPF より も高い傾向を示し た （図5
）。5
，
筋 トル ク値が大きいほ ど 全周 波 数 帯 域の EMG 積 分 値は増 加し た。 筋トル クの変 化により個々 の運 動 単 位 の発 射様式の変化を探る た め， 3
っ に区 分 した各 周 波数 帯 域の EMG 積分値の 割合をみ ると，
中 周 波 成 分が 最 も 大 き く， 次に低周波，
そ して高周 波 戉 分はもっ と も小さ い比 率 を示し た。 この各周 波 数 帯 域の EMG 積 分 値の比 率は筋トルク値が大きくなっ て も変 わ らず，一
定の傾向 を示し た。
そこで各 筋と も低， 中
，
高 周 波 帯 域の積 分 値の増 加率 を25％ MVC を基 準と して その倍 数で比 較し た ところ 50％MVC 時，
100％MVC
時と筋 ト ルク値が高く な る にっ れ， 中，
高周波帯域の増 加 率の ほ うが低周波帯域の 増 加 率に比し大 きく な る傾向を示し た （図6）。
IV．考
察筋の収縮強 度と表面
EMG
周 波 数に関 する研 究は数多 くみ られる。
その中で鮫 島，
Komi らは筋 収縮強度が表 面 EMG 周波数分布に影響する と し，
佐 藤．
Petrofsky ら は影 響 しないと報 告 してお り意見が分か れて い る3〕。 ま た，
筋 収縮強度と表面EMG
周波数の関 係を倹 討 する場 合，
諸家の間で周 波数解 析の方 法に統一
したものがない の も問題であ る。 例え ば，
鮫 島は上 腕二 頭 筋 を被 検 筋と して，
筋収縮力が増大して も平均 周 波 数 ：Mean Power Frequency （以．
ドMPF
と略す）は表 面EMG の振「「1畠の 変 化に比し極めて小さ な もの で あると し，
2
〜
6Kg の 負 荷をか け た と き はMPF
は 上昇し，一
方8〜
10Kg の 範 囲で は逆に下降 する傾向を示し た と述べ て い る12）。 ま た，
大 箸は上 腕二 頭 筋を被 検 筋と して最も負 荷の小さ い ときと最 も負荷の大 きい と き の筋収縮強 度の違いが相 対 パ ワー
周 波数に対し有意な影 響が あっ
た と報 告 してい る3） 。 そ の他 Sujoy14），
KQsarov7），
佐藤ら 13）の 報 告に み られ る ように従 来の研 究では被検筋に上腕二頭 筋が多 く，
下肢 筋が少ないた め歩 行 分 析に応 用す ること がで き ない こ と， ま た負 荷の 指 標が Kg また はgで あ ること が多 く3）9）12）個人 差が大きい こと，
ま た解 析はMdPF よ り ば らっ き， 雑音に対す る感度が大 きい MPF を用いてい る こと な ど が問 題 と思わ れ る5）1］）13）。 我々 は歩 行 分 析 等に お け る下肢筋の周 波 数 解 析の参 考 資料にするた め，
被 検 筋を大腿 四頭 筋と し，
筋 力 は個人健常人 大 腿四頭 筋のパ ワ
ー
ス ペ ク ト ル解 析423
O，
65 0．
49 O．
32 0．
16 0，
00 0．
05 O．
04 D．
03 0．
01 MdPF＝
54Hz kHz 0．
0 島一由一
一
→一
一
〇．
15 0．
17 0．
2D kHz O．
00 0．
02 0．
05 0．
07 0，
10 0，
12 ×10−
2 1．
eo0．
750，
500．
25O．
00 0．
00 0．
02 0．
5 0rO7 図1 症例 D の パ ワー
ス ペ ク トル U．
10 0．
12 0．
15 0．
17 0．
20kHz 各MVC
時にお ける VL のMdPF
の比 較 （基本1
謌波 数 ：0．
488正｛z） 差 を 少 な く す る ため％MVC で比較し，
さ らに周波 数解 析で は，
MPF よ り ば らっ きが少な く， 信 頼 性の 高い MdPF を用い解析した。 その結果，
MdPF は各 周 波 数 帯域で，
筋 トル ク値が大きい ほ どMdPF
も若．
干高い傾 向を示し，
100％MVC と25
％MVC 問に有 意 差がみ ら れた。
これは筋 ト ル ク値が高くな ると，
全体 的に高 周 波 成分の増 加 率 が 低 周 波 成 分よ り大 きか っ た ことや （図 5），
低，
中周 波数帯域 内での 高 周 波化の関与が あっ た ため と考え ら れ た。 すなわち， 筋 力 増 加に伴ない，
前述 した高周 波成分の増 加 比 率が低 周 波成分の増加 比 率よ り 大きい こと や中 周 波 帯 域で の MdPF が大き くな っ た理 山は Henneman6 ）が 述べ て い る サ イ ズの原 理に従い，
より閾 値の 高い 人き な 運動 単 位の漸 増が起こっ
た ため と 考え られ る。
従来よ り， 筋トル ク値が増 加 するには， 単
一
一
の運 動 単 位の発 火 頻 度 （rate coding ）の増 加や運 動 単 位の漸 増 （recruitment ） 等の 生理 的機序に よ り起こ る こ と が 知 ら れて いる。Milner−
Brown ら9）は針電極を用い て一
一
本運動 単 位に 関 する研究で筋力と周波 数が直 線 関 係にあ ること を述べ て い る。 ま た彼らは運 動 単 位の漸 増は筋 力の低い と き （最 大筋力の 30−
40％）に重 要な因『
F
であ り，一
方よ り 高い筋力発揮の と きは発 火頻 度の関与が大 き くな ること を 述べ て いる4）。
筋 力 発 揮の大き さに よっ て，
運動栄位 の発 火 頻 度 と漸 増の比 率 関 係は ヒ肢 筋，
ド肢筋等筋の違 いや，
個 人差に より異なっ て い るQ 表面 EMG で も筋 力 増 加に伴ない 高 周 波 成 分が増 加 しMdPF は高くな る こ と が予想 さ れ た が，
鮫島が述べ て い る よ うに MdPF の 増 加1
ま僅かで あっ た。 すな わ ち，
本 研究のよ うに表面 EMG を用い て筋放電の 定常性を仮 定して フー
リェ 変 換 し，
パ ワー
スベ ク トルを求め る方法で は，
波 形の干 渉 等 によ り発 火頻度の分 析が ト分で な い た め，
筋 トル ク値が 大 き く増 加して もMdPF の増 加が少な かっ
たの で は な いか と考え られる。
424 幻 6 田 5 』 山 喝 芝 40 幻
60
倒 50 400 隅 山 ℃ 芝 幻 60 田 50 隣 餓 喝2
グ
40 2 図亞
苧
理学療法学｛
・・M
・ 一一
＊ 第19
巻 第4 ．
零｝ （Hz） 40 」 ℃ 30 25甲
CVM50T・
61
⊥亞
杢
亞
〔・M 〕 100 （％）杢
〔RF
〕 一 2550MVC
o− r 一一一一一＿
一 （Hz） 40 T 30 （Hz ） 40 山 丁 3025
50 100 （％） MVC亞
亞
F 〕 一 ＊
｝
L｛
100 （％）1
〔。、〕 ＊ o−一 一一 一
一25
50100
（％） MVC 筋 トル ク値の変化に よ るパ ワー
スペ ク トル （10− 200Hz
） ＊ ：0．
Ol
くP
≦0．
05
（H・） 65 」 T 550L
−
rr ．一
＝L− 一一一
一 25 50 （Hz） MVC 65 v9
亞
Σ55
0z
＿＿＿
一＿＿
＿＿＿＿＿＿
一 25 50 （Hz） MVC 65 v亞
9
55oL
−
T− 一
一一 一一 ＿
一25
亞
50MVC亞
100 （％ ）臺
o− 「一一一 一 一一一
一 〔VL
〕亞
苧
苧
〔VM 〕 一 ＊ 100 （％）亞
〔RF
〕 2550
100
（％＞MVC
図3
筋 ト ルク値の変化に よ るパ ワー
ス ペ ク トル （10− 45Hz
） ＊ ：0．
Ol
＜P≦O．
05
（Hz） 100k
強
go 禺 （Hz ） 100 傷 で 90 Σ （Hz／ 100臣
遷
go1
干
1
・・M ・ o− 25杢
50MVC釜
100 （％ ） 100 （％〉1
・…亞
〔VL
〕o「ニ
ー 一
，一一一一
r−一 一一一一
一 25 50 100 （％） MVC 図4 筋 トル ク値の．
変 化に よ るパ ワー
ス ペ ク トル （46．
．
．
80
Hz
） ＊ ：O．
Ol
くP
≦0．
05
01＝−
T−
一一
rr− 一一一一一一
「 25｝
5DMVC釜
100 （％）亞
〔・・〕 図5 o− 25 50 100 （％） MVC 筋 トル ク値の変 化に よるパ ワー
ス ペ ク トル （81− 200Hz
）健常 人 大 腿 四 頭筋のパ ワ
ー
スペ ク トル解 析425
（倍） 8 6 42
0 （倍 ） 2，
52L510．
5 〔100
％MVC
／25％MVC
〕口 10
−
45Hz 匠］46−80Hz
VM RF ■ 81−
200HzVL
（筋） O VMRF
VL
（筋） 図6
各周波 数帯域に おける各 筋のEMG
積 分値の 増加率近 年
，
永 田1D）は最 大エ ン トロ ピー
法を表 面EMG
の解 析に応 用し， 干 渉波の中に含ま れる基 本 波を抽 出し，
筋 放電パ ワー
ス ペ ク トル波 形の各 要 素 分 析が可 能と なっ た と報 告 して い るD 本研究で は， 前記し たパ ワー
ス ペ ク ト ル波 形の各 要 素 分 析まで はで き ないが，
筋 トル ク値の増 加に伴ない周 波 数 が 高 くなっ たこと か ら，
あ る稈 度その 筋群の活動パ ター
ンの推定がで きる と考え ら れる。 従っ て，
今回の研究か ら筋トルク値の変化が EMG 周 波 数に 及ぼす 影響を あ る程度 客観 的にとら え る こと ができると 考え ら れ る。 文 献1）Kobe A
，
et a9．
；Interrelatiollship between EMG of legmuscle and walking speeds
．
the Thlrd Assembly efthe Asian Confederatiun Eor Phys正cal Therapy Proceed
−
ings
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83．
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一
しion o ∫ motor LLnit mechanical properしies and しhe
forces due to recruitment and rate coding for the gen
−
eration of muscle force
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t
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スペ ク ト ル のパ ター
ン分 類一
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V
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ま と め 健 康 成 人 ll名 を 対 象に大 腿 四 頭筋と表 面EMG
周波 数の関係 を検 討 した。
その結 果，
以 下の ことがわかっ た。1．
全体的に各 筋 （VM，
RF，
VL ） と も筋 トル ク値が 高い ほ ど各帯 域のMdPF
は高くなる傾 向 を 示し た。
2．
100％MVC
と25
％ MVC 間に の み MdPF の 変 化が統 計的有意 差を 認 め，
その他の比 較で は有 意 差はな かっ
た。426
veV:&zaV
rgl9igeg4-"Er
< Abstract
>-Power
Spectral
Analysis
ef theSurface
EMG
ofthe
Quadriceps
Muscle inNormal AdultsAkio KOBE, RPT, Toshiaki
YAMADA,
DePartment
of
Rehabilitaition,KbntzaaevandodicalUitiversityllbspitalYasuaki
YAMAZAKI,
MD,
Norihiko
TODA,
MD,
Munardi
BRILIANTONO,
MD
DePartment qfOrthQPedicSurgerly,Kdn(zaawa ]tledical[iniversity
Masao
YAMAGUCHI,
MD
RehabilitationK(aga-Ydwata-Onsen llOspital Yasutaka MATSUURA, RPT
DopaTtment
of
Rehabilitation,Uealthy insurance Shiga Hbspital
We
examined the relationshipbetween
thetorque of thequadriceps muscle(vastus
media-lisiVM, rectusfemorisIRF,
vastus lateralisIVL) and the median power frequency(MdPF)
of the surface electromyography(surface
EMG) in 11normal adults. The torque at rnaximal voluntary contraction(MVC)
was calculated with theknee
flexed
60
degrees
by
anAriel
ma-chine
(arm
& legtype), and the MdPF of each muscle was compared at 100%MVC,
50% MVCand
25%
MVC.
We
studied thecharacteristicfeatures
of theMdPF
in
therangesfrorn
IOHz
to45
H2,
from
46Hz
to80
Hz,
andfrom
81
Hz te200
Hz.
The MdPFs of VM and VL inthe range from 10Hz to 20e Hz aL 100% MVC were significantly greater than those at 25% MVC. The MdPF of RF inthe range from 10Hz to 45Hz at 100% MVC was significantly greater than that at 25% MVC. The MdPF of VM inthe range from 46Hz to80
Hz at 100% MVC wassignificant-ly
greaterthan
thatat2596
MVC. TheMdPF
of each musclein
the rangefrom
46Hz
to80 Hzat
100%
MVC
was srightly greaterthan that at25%
MVC.
These results suggest that the pattern of activity of the muscles might be indicated by power spectral analysis of the surface EMG.
